1.前言
隨著送貨服務(wù)需求的快速增長，電動摩托車（e-motorcycle）作為一種運輸方式越來越受歡迎，因為它的電池容量遠大于電動自行車/電動滑板車的電池。更大的容量可以延長乘車時間，這有助于節(jié)省時間并實現(xiàn)更遠距離的交付。
一個電動摩托車電池組有多個電壓平臺，但最流行的是 60 V，這需要 17 個串聯(lián) (17S) 鋰離子 (Li-ion) 電池組。
產(chǎn)生更長的運行時間需要解決三個設(shè)計問題：
· 電池電壓檢測精度高，可進行準確的充電狀態(tài)計算。
· 電池電壓平衡。
· 低系統(tǒng)電流消耗，尤其是在待機模式下。
具有低電流消耗的16S-17S電池組參考設(shè)計 解決了每個設(shè)計問題。它使用BQ76940 電池監(jiān)視器用于電池組的下部 15S，并使用LM2904B 雙通道通用放大器來準確檢測上部兩個電池的電壓。添加外部金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 可實現(xiàn)更大的電池平衡能力。圖 1 是電池組參考設(shè)計的框圖。
圖1：16S-17S電池組框圖
2.高電池電壓檢測精度
的 BQ76940 直接監(jiān)視低15S電池單元，并確定電池電壓精度。典型精度在 25°C 時為 ±15 mV，范圍為 3.2 V 至 4.6 V。如有必要，額外校準有助于進一步提高精度。圖 2 所示的分立電路決定了上面兩個電池的精度。
圖 2：兩個上部電池的分立電路圖
我們以第 17 個單元格為例。一個LM2904B 通道與 P 通道 MOSFET Q25、R89 和 R96 一起作為負反饋電路工作，而 Q25 工作在線性模式。通用放大器的負輸入電壓等于正輸入電壓，即第16節(jié)電池的電壓。第 17 節(jié)電池電壓跨過 R89 并產(chǎn)生一個電流，該電流將流經(jīng) Q25 和 R96 并返回接地，類似于第 16 節(jié)電池。
可以通過使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測量 ADC_16 和 ADC_17 電壓來監(jiān)控第 16 節(jié)和第 17 節(jié)電池電壓?？紤]到 R89、R96、R87、R94 和 ADC 基準的容差，需要兩點校準才能獲得更高的精度。圖 3 顯示了兩點校準過程。
圖 3：兩點校準過程
在實驗室，我測試了校準后的第16節(jié)和第17節(jié)電池電壓準確度；結(jié)果如圖 4 所示。典型精度達到 ±2 mV。
圖 4：第 16 節(jié)和第 17 節(jié)電池電壓精度（25°C 時）
3.電池平衡
由于第 16 節(jié)和第 17 節(jié)電池由分立電路監(jiān)控，而較低的 15 節(jié)電池由BQ76940 監(jiān)控，因此您必須考慮對電池均衡的影響。
圖 5 顯示了主要的電流路徑。紅色是通用放大器電源路徑，綠色是第 17 節(jié)電池的感應路徑，灰色是第 16 節(jié)電池的感應路徑。通用放大器電源從整個電池組中汲取能量并流回地面，從而使電池組放電且不會導致不平衡。第 17 個電池的感應路徑也從整個電池組中吸取能量并流回地面，這也不會導致不平衡。但是第 16 節(jié)電池的感應路徑僅從較低的 16 節(jié)串聯(lián)電池汲取能量，這將導致第 17 節(jié)電池和較低的 16 節(jié)電池之間出現(xiàn)電壓間隙。這種不平衡僅在檢測到第 16 節(jié)電池電壓時發(fā)生。
為了減少不平衡，當沒有感應到第 16 節(jié)電池時關(guān)閉 Q21——并在計算不平衡效應時考慮 Q21 控制電路電流。
根據(jù)此處的分析并假設(shè)電壓檢測周期為 250 ms，該電池組參考設(shè)計的典型不平衡電流小于 0.1 μA。
圖 5：分立電路的電流路徑圖
4.低系統(tǒng)待機電流消耗
現(xiàn)在，我想簡單討論一下如何降低待機模式下分立電路的電流消耗。待機模式下既不充電也不放電。電池電壓感應是為了保護，您通?？梢酝ㄟ^增加空閑時間來降低頻率。為了降低待機模式下的功耗，您可以在不需要電壓檢測時關(guān)閉電路。
圖 2 中的解決方案使用 P 溝道 MOSFET Q20 將電源切換到 LM2904B，并由微控制器控制。為了進一步降低電流，我添加了 Q22 和 Q21 以切斷電池電壓感應路線并節(jié)省更多能量。假設(shè)電壓檢測周期為 250 ms，空閑時間為 250 ms，待機時的平均電流消耗將相當?shù)?。圖 2 所示解決方案中的典型電流小于 1 μA。
5.結(jié)論
總體而言，該參考設(shè)計提供了一種具有成本競爭力的電池組解決方案，可覆蓋高達 17S 的電芯，非常適合電動摩托車。該設(shè)計通過以下方式實現(xiàn)了更長的運行時間：
· 提高電池電壓檢測精度。
· 減少待機模式下的電流消耗。
· 消除不平衡效應。
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